ЯКОРЬ МНОГОФАЗНОГО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА Российский патент 1999 года по МПК H02K1/16 H02K1/12 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции якоря многофазного синхронного генератора.

Якорь является одним из основных узлов в электрической машине. В нем происходит процесс преобразования механической энергии в электрическую и наоборот. Известна конструкция якоря электрической машины, в которой якорная обмотка выполнена однофазной кольцевой одноименно-полюсной и разноименно-полюсной обмоткой возбуждения, размещенной на гладком статоре, в котором с помощью зубчатого магнитопровода ротора при движении относительно гладкого магнитопровода статора коммутируется направление униполярного потока [1, с. 165, рис. 19-1 и с. 185 рис. 20-8].

Недостатками известной конструкции являются:
1) наличие дополнительного воздушного зазора между щитом и валом ротора, что приводит к увеличению расхода меди на обмотку возбуждения по сравнению с одним воздушным зазором;
2) использование половины поверхности расточки статора для проведения рабочего магнитного потока, что приводит к увеличению расхода материалов по сравнению со случаем, когда вся поверхность расточки статора используется для проведения рабочего потока.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является конструкция якоря с m - фазной якорной обмоткой барабанного типа [1]. Сегодня такая конструкция якоря является общепринятой в мире.

Якорь прототипа состоит из ярма, зубцов и якорной обмотки, уложенной в пазы, образованные двумя соседними зубцами. Магнитная ось каждой катушки якорной обмотки барабанного типа перпендикулярна оси вращения. Функционально в зубцах можно выделить зубцовые наконечники и сердечники зубцов. Сердечники зубцов выполняются на полную длину зубцовых наконечников. Всегда число зубцовых сердечников равно числу зубцовых наконечников. Ярмо магнитно соединяет все сердечники зубцов. В якорной обмотке барабанного типа выделяется пазовая и лобовая части. Формы лобовой и пазовой части различны и в общем случае указанные части находятся в различных плоскостях. Форма лобовой части каждой катушки должна быть такой, чтобы избежать пересечения в пространстве с лобовой частью соседних катушек.

Основным недостатком известной конструкции является наличие и сложная форма лобовой части, что вызывает усложнение технологии ее изготовления по сравнению, например, с технологией изготовления якорной обмотки аналога. Для изготовления пазовой и лобовой частей, якорных обмоток барабанного типа с жесткими секциями, нужны специальные приспособления для формирования заданных пространственных углов отдельно пазовой и лобовой частей. Изоляция пазовой и лобовой частей накладывается раздельными технологическими приемами. Для машин с одинаковым внутренним диаметром, но разным числом пар полюсов, изготавливаются различные по типоразмеру секции.

В процессе укладки секций в пазы с наложенной на них пазовой изоляцией каждая секция подвергается деформации в основном в лобовых частях. Изоляция каждой секции подвергается разрушающему механическому воздействию.

В машинах малой мощности при изготовлении якоря с мягкими секциями и полузакрытыми пазами укладка обмотки в пазы осуществляется путем "всыпки" витков в пазы с последующим ненормируемым механическим воздействием на витки с целью уплотнения витков и формирования лобовых частей, что снижает уровень изоляции в отдельных частях обмотки, а следовательно, надежность якорных обмоток.

Целью изобретения является упрощение технологии изготовления и увеличения надежности якорной обмотки многофазного синхронного генератора. Указанная цель достигается тем, что в якоре с кольцевой m - фазной одноименно-полюсной обмотки фазы распределены вдоль оси вращения индуктора так, что оси всех фаз кольцевой одноименно-полюсной обмотки совпадают с осью вращения индуктора, а два сердечника зубцов, принадлежащих соседним зубцовым наконечникам, размещены по различным сторонам фазы кольцевой одноименно-полюсной обмотки, причем с любой стороны фазы кольцевой одноименно-полюсной якорной обмотки находится p сердечников зубцов, следующий зубцовый сердечник, находящийся с той же стороны, принадлежит (m + 1) зубцовому наконечнику, расположенному по отношению к соседнему зубцовому наконечнику на угол 360/m эл.град., ярмо последовательно магнитно соединяет m + 1 зубцовых сердечника, два из которых являются крайними, расположены по разным сторонам якоря вдоль оси машины, и оси которых сдвинуты в пространстве на 360 эл.град.

Магнитная система якоря синхронного генератора выполняется разборной. Например, зубцы якоря могут быть выполнены съемными со способом крепления главных или добавочных полюсов к ярму машины постоянного тока. Ярмо и зубцы могут быть шихтованы из листов электротехнической стали, а могут быть выполнены прессованными, методами порошковой металлургии.

Так как фазы кольцевой обмотки размещаются вдоль оси вращения, то отсутствуют возможные точки пересечения обмоток фаз, как это имеет место в лобовых частях прототипа, что и заставляет лобовые части прототипа делать сложной формы, размещая различные части катушек в различных плоскостях. Поскольку в предлагаемом устройстве нет точек пересечения, то форма любой катушки фаз в предлагаемом устройстве вдоль ее периметра может быть принята одинакова, например, в форме окружности, что уменьшает число технологических операций при ее изготовлении и не требует дополнительных механических воздействий на обмотку, а следовательно, и на ее изоляцию в момент укладки обмотки в якорь. Это в конечном итоге увеличивает надежность работы якоря синхронного генератора. Чтобы форма катушек была окружностью и чтобы в m - фазной системе магнитный поток охватывал каждую фазу необходимо, чтобы с любой стороны фазы были сердечники зубцов, причем оба зубцовых сердечника, охватывающих катушку, должны быть магнитно связаны с соседними зубцовыми наконечниками. Каждый зубцовый наконечник создает магнитную фазную зону. Оси соседних магнитных зон должны быть сдвинуты в зависимости от числа фаз m на угол 360/m. Из указанного следует, что при m ≥ 3 число сердечников зубцов больше числа зубцовых наконечников на один, на пару полюсов; ярмо последовательно магнитно соединяет m + 1 зубцовых сердечника, два из которых являются крайними, расположены по разным сторонам якоря вдоль оси машины, и оси которых сдвинуты в пространстве на 360 эл.град. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенное устройство по способу размещения катушек фаз в пространстве вдоль оси вращения, по способу образования зубцовой структуры, числу сердечников зубцов и зубцовых наконечников отличается от прототипа.

Таким образом, заявленный якорь синхронного генератора соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявленного решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены материалы, описывающие конструкцию и поясняющие принципы действия.

На фиг.1 представлены в изометрии с разрезами якорь и индуктор синхронного многофазного генератора.

На фиг. 2 изображены оси, углы сдвигов фазных магнитных зон, размещение зубцов сердечников и наконечников в плане.

На фиг.3 показаны все потоки, сцепленные с фазой А.

На фиг.4 показаны все потоки, сцепленные с фазой В.

На фиг.5 показаны все потоки, сцепленные с фазой С.

На фиг. 6 приведены графики периодических функций потоков, сцепленных с фазами.

Якорь многофазного синхронного генератора фиг. 1 с числом полюсов 2p содержит зубцовые наконечники 1, сердечники зубцов 2, фазы кольцевой одноименно-полюсной обмотки 3, ярма 4.

Число фаз якорной обмотки m.

Если якорная обмотка состоит из одной катушки с двумя концами, то m = 2. Если якорная обмотка состоит из двух катушек, ЭДС в которых сдвинута на 90 эл. град. , то m = 4. Если якорная обмотка состоит из трех катушек, соединенных, например, в звезду, то m = 3, если из четырех катушек, соединенных, например, в звезду, то m = 4 и т.д.

Число зубцовых наконечников Zп на два полюсных деления 2τ равно числу фаз. Число зубцовых наконечников Zп в якоре равно
Zп = p • m
Фазы кольцевой одноименно-полюсной обмотки распределены вдоль оси вращения индуктора так, что, во-первых, оси всех фаз совпадают с осью вращения индуктора и, во-вторых, два сердечника зубцов, принадлежащих соседним зубцовым наконечникам, размещены по разным сторонам фазы кольцевой одноименно-полюсной якорной обмотки. С любой стороны фазы кольцевой одноименно-полюсной якорной обмотки находятся р сердечников зубцов, причем следующий зубцовый сердечник, находящийся с той же стороны, принадлежит (m + 1) зубцовому наконечнику, расположенному по отношению к соседнему зубцовому наконечнику на угол 360/m эл.град.

Физический смысл зубцовых наконечников состоит в создании магнитных зон на двух полюсных делениях. Число магнитных зон равно числу фаз m. Физический смысл зубцовых сердечников состоит в создании магнитной цепи вокруг катушки фазы, соединяя два соседних зубцовых наконечника, сдвинутых в пространстве на угол в 360/m эл.град. Таким образом, число сердечников зубцов Zc определяется числом катушек к кольцевой m - фазной обмотки плюс одна Zc = (к + 1)p. Например, для однофазной обмотки число фазных зон - две (m = 2), а число катушек одна (к = 1). Для трехфазной обмотки число m = 3, а k = 3 и т.д.

В силу указанных причин для m ≥ 3 существуют зубцовые наконечники с двумя крайними зубцовыми сердечниками (фиг. 1, A_z11, A_z12). Ярма 4 последовательно магнитно соединяют m + 1 зубцовых сердечника, два из которых являются крайними, расположены по разным сторонам якоря вдоль оси машины, и оси которого сдвинуты в пространстве на 360 эл.град. Принцип работы устройств поясняется на фиг. 2,3,4,5 на примере исполнения якоря для 3-х фазного синхронного генератора.

Пусть ось северного полюса индуктора совпадает с продольной магнитной осью зубцового наконечника, имеющего два крайних зубцовых сердечника A_z11, A_z12 (фиг. 2). Для указанного случая на фиг. 3 указаны все потоки, сцепленные с фазой А. Поток - Ф_AZ11BZ1 сцеплен с фазой А, а поток Ф_AZ11CZ1 с фазой А и В. Индексы при потоках указывают зубцовые сердечники, по которым замыкается поток через ярмо и индуктор, возбуждающий данный поток. На фиг.4 указаны все потоки, сцепленные с фазой В. Как и в случае с фазой А будет поток - Ф_BZ1CZ1, который сцеплен только с фазой В.

На фиг.5 указаны потоки сцепления с фазой С.

Отметим, что потоки, сцепленные только с отдельными фазами Ф_AZ11CZ1, Ф_BZ1CZ1, Ф_CZ1AZ22 соединяют две магнитные зоны, образованные зубцовыми наконечниками, сдвинутыми на угол 120 эл.град.(фиг.2).

Потоками сцепления с отдельными фазами, через поверхности ярм в данном анализе пренебрегаем, т.к. магнитное сопротивление между ярмами много больше сопротивления воздушного зазора.

Для указанного начального момента времени потоки, сцепленные с фазами А и С равны.

За положительное направление осей всех фаз примем направление сверху вниз чертежа. Тогда поток, сцепленный с фазой А, имеет положительное направление, а поток сцеплений с фазой С встречное направление. Для указанного момента времени угол между осью зубцового наконечника и осью северного полюса равен нулю: α = 0 (фиг. 2). На фиг. 6 для α = 0 на графиках, отражающих изменение потоков, сцепленных с фазами А, В, С в функции угла α, указано равное и противоположное значение потоков фаз А и С.

Поскольку для α = 0 ось южного полюса совпадает с осью, разделяющей два соседних зубцовых наконечника B_Z1 и C_Z1, то магнитные потенциалы этих зубцовых наконечников равны, а следовательно, поток Ф_BZ1CZ1 равен нулю. В силу магнитной симметрии потоки Ф_AZ11C21 и Ф_BZ1AZ22 будут равны и встречно направлены. Результирующее потокосцепление с фазой В от этих потоков равно нулю.

Таким образом для α = 0 поток, сцепленный с фазой В, равен нулю.

Сдвинем ротор на +30 эл. град. В этом случае ось q_sN будет совпадать с линией симметрии, разделяющей зубцовые наконечники C_Z1 и A_Z2. Разность магнитных потенциалов, указанных наконечников, будет максимальна. Поток Ф_CZ1AZ22 примет максимальное значение (фиг. 6). Кроме потоков, сцепленных с якорной обмоткой и созданных индуктором, будут потоки (назовем их потоками рассеяния индуктора в якоре), созданные также индуктором, входящие в якорь, но не сцепленные с якорной обмоткой. Это параллельные потоки. Величина этих потоков будет определяться магнитными сопротивлениями по путям, по которым замыкаются искомые потоки.

При сдвиге ротора на 30 эл.град. увеличивается поток рассеяния между N₁₂ и S₁₁, т. к. указанные части полюсов шунтируются зубцовым наконечником B_Z. Поток Ф_AZ11BZ1 стремится к нулю. При α = 30 эл.град. потокосцепление с фазой С стремится к максимуму. Поток, сцепленный с фазой А, уменьшается и, когда α = 60^°, этот поток будет равен нулю, т.е. ось северного полюса совпадает с осью, разделяющей зубцовые наконечники A_Z1 и B_Z1 (фиг. 2). Поток, сцепленный с фазой В, увеличивается. Он достигает максимального значения при α = +90 эл. град. Тогда ось q_NS будет совпадать с осью симметрии, разделяющей зубцовые наконечники B_Z1 и C_Z1 (фиг. 2). Второй максимум потока будет через (90^o + 180^o) эл., когда положение северного полюса займет южный полюс и направление потока Ф_в будет отрицательно (фиг. 6).

Рассмотрим угол α = - 30 эл.град. Тогда поток, сцепленный с фазой А будет положителен и максимален (фиг. 2). Через α = (-30^o + 180^o) поток, сцепленный с фазой А-Ф_а будет максимален и отрицательный, т.к. положение северного полюса займет южный полюс.

Таким образом, максимумы потока равны и сдвинуты на 120 эл.град. а, следовательно, ЭДС по времени всех 3-х фаз будет функцией периодической, со сдвигами периодов на 120 эл.град. Состав гармоник в кривой ЭДС будет определяться формой полюсного наконечника индуктора, величиной зазора, расстояниями между соседними зубцовыми наконечниками, формой зубцового наконечника. Для формирования кривой ЭДС следует воздействовать на указанные величины. Пути формирования кривой ЭДС известны.

Исполнения магнитной системы якоря могут быть различны. Кроме традиционных способов изготовления магнитной системы, наиболее рационально для данной конструкции магнитной системы использование приемов порошковой металлургии.

Аналог [1] выполнен однофазным. В нем[1] не указаны пути выполнения устройства многофазным. Рабочий поток, наводящий однофазную ЭДС, замыкается только на половине поверхности расточки статора через дополнительный зазор. В предлагаемом устройстве вся поверхность расточки статора используется для проведения рабочего магнитного потока, поэтому по сравнению с аналогом расход активных материалов в предлагаемом устройстве меньше.

Известно, что основной причиной отказа в работе электрической машины является нарушение изоляции якорной обмотки. Причины кроются в сложной форме катушек якорной обмотки барабанного типа, требующей сложной технологии изготовления с ненормируемыми разрушающими воздействиями на изоляцию при укладке в якорь.

В прототипе якорная обмотка выполняется барабанного типа с различной формой пазовой и лобовых частей. В предлагаемом устройстве форма якорной обмотки в любой ее части одинаковая, что упрощает технологию изготовления, т. к. не нужны дополнительные операции и специальные приспособления для формирования пазовой и лобовых частей. Традиционно в прототипе изоляция пазовой и лобовой частей накладывается раздельными приемами и на раздельных приспособлениях. В предлагаемом устройстве изоляция может накладываться на одном станке. В прототипе для машин разной полюсности и одного диаметра выполняются катушки с разным шагом, т.е. для каждой полюсности свой типоразмер. В предлагаемом устройстве одна и та же обмотка может быть использована для машин с различной полюсностью, что уменьшает число типоразмеров. Поскольку форма якорной обмотки всегда окружность, то такая форма лучше поддается автоматизации наложения изоляции и не будет дополнительных механических воздействий для ее формирования при укладке в пазы статора.

В прототипе имеются принципиальные причины, определяющие конструкцией якоря, ограничивающиеся уровень рабочего напряжения. В предлагаемом устройстве не обнаружены причины, которые бы ограничивали уровень рабочего напряжения.

Предлагаемая конструкция якоря может применяться для синхронных и асинхронных двигателей малой мощности, массового производства, где изготовление многовитковых якорных обмоток наиболее трудозатратная составляющая от всех трудозатрат. В машинах малой мощности при изготовлении якоря с мягкими секциями существует такая операция как "всыпка" в паз обмотки с применением специальных приспособлений, которые приводят к изгибу провода, переплетению и т.д. Эта операция является одной из главных причин, снижающих надежность якорных обмоток. При применении кольцевых обмоток указанная операция не потребуется. Всегда можно применять жесткие секции.

При изготовлении прототипа существует такая технологическая операция как формирование "корзины" лобовой части путем изгиба лобовой части секции, с целью придания формы и укладки ее на месте, а, следовательно, с воздействием механическим способом на изоляцию в лобовой части, особенно при выходе ее из пазовой части, снижающей ее надежность в работе. В предлагаемом устройстве эта операция исключается, а, следовательно, надежность увеличивается.

Таким образом, использование заявленного изобретения позволит существенно упростить технологию изготовления якорной обмотки синхронного генератора и увеличить надежность в процессе ее работы.

Использование: в якорях многофазных синхронных генераторов. Сущность изобретения: якорь многофазного синхронного генератора состоит из ярма, сердечников зубцов, зубцовых наконечников и многофазной кольцевой одноименно-полюсной якорной обмотки. Фазы кольцевой одноименно-полюсной обмотки распределены вдоль оси вращения индуктора так, что оси всех фаз кольцевой одноименно-полюсной обмотки совпадают о осью вращения индуктора, а два сердечника зубцов, принадлежащих соседним зубцовым наконечникам, размещены по разным сторонам фазы кольцевой одноименно-полюсной обмотки, причем с любой стороны фазы кольцевой одноименнополюсной якорной обмотки находится p сердечников зубцов. Следующий зубцовый сердечник, находящийся с той же стороны, принадлежит ( m + 1 ) зубцовому наконечнику, расположенному по отношению к соседнему зубцовому наконечнику со сдвигом на угол 360/m эл.град. Ярмо последовательно магнитно соединяет m + 1 зубцовых сердечника, два из которых являются крайними, расположенными по разным сторонам от якоря вдоль оси машины, и оси которых сдвинуты в пространстве на 360 эл.град. 6 ил.

Якорь многофазного синхронного генератора с числом полюсов 2p, состоящий из ярма, сердечников зубцов, зубцовых наконечников и m-фазной кольцевой одноименно-полюсной якорной обмотки, где p и m - натуральные числа, отличающийся тем, что фазы кольцевой одноименно-полюсной обмотки размещены вдоль оси вращения индуктора, таким образом, что оси всех фаз кольцевой одноименно-полюсной обмотки совпадают с осью вращения индуктора, два сердечника зубцов, принадлежащих соседним зубцовым наконечникам, размещены у разных сторон каждой фазы кольцевой одноименно-полюсной обмотки, причем с любой стороны фазы кольцевой одноименно-полюсной якорной обмотки находится P сердечников зубцов, следующий зубцовый сердечник, находящийся с той же стороны, принадлежит (m + 1) зубцовому наконечнику, расположенному по отношению к соседнему зубцовому наконечнику со сдвигом на угол (360/m) эл.град., ярмо последовательно магнитно соединяет (m + 1) зубцовых сердечника, два из которых являются крайними, расположены по разным сторонам якоря вдоль оси машины с осями, сдвинутыми в пространстве на 360 эл.град.